conversor energía térmica a eléctrica

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Conversor de energía térmica a eléctrica basado en tecnología de pilas de combustible y procesos electroquímicos.

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Dispositivo de conversin directa Trmica - Elctrica

Dispositivo Conversin Directa de Energa Trmica a elctrica (DiConDET)El Padre nos colma de bienes Demos gracias al Padre

1 Antecedentes. Presentacin de dispositivo y objetivos.En el presente documento se propone un dispositivo cuyo objetivo es la conversin de energa trmica (de cualquier fuente) en energa elctrica. Es de esperar que este dispositivo una vez desarrollado tenga un rendimiento de conversin superior al 30 %. Adems dispondra de otras caractersticas. Dispositivo fiable. (Su principio de funcionamiento de forma aislada del exterior le dota de una importante capacidad de no estar sometido a elementos de deterioro y desgaste) Dispositivo sin partes mviles. El dispositivo desarrollado completo requerira de un compresor pero este puede ser de tipo rotor magntico para aumentar su fiablidad. Dispositivo con pocas necesidades de mantenimiento

El dispositivo est enfocado a trabajar con temperaturas por debajo de los 170 C. El desarrollo de este dispositivo dara una importante oportunidad a las personas para disponer de una calidad de energa proveniente de muy variadas fuentes. Actualmente los mecanismos de conversin de energa trmica (a la temperatura expuesta) son inexistentes o los que hay son muy caros. El desarrollo del presente dispositivo debera dotar a las personas de una herramienta til para solucionar muchos problemas relacionados con la energa. En este documento se exponen los principios de operacin, tecnologas necesarias para su construccin y referencias de estudio que ayudaran en su desarrollo. Este documento est dirigido a estudiantes de universidad, especialistas y aquellas personas que tengan inters en desarrollar un dispositivo de estas caractersticas.

2 Antecedentes. Pilas de combustible.Para poner en antecedentes sobre el dispositivo que se quiere exponer es necesario hablar de las pilas de combustible, no obstante este dispositivo NO ES UNA PILA DE COMBUSTIBLE. En la actualidad se est llevando a cabo un gran esfuerzo por poner a punto la economa del Hidrgeno. Esta economa se basa en el hidrgeno como vector energtico. Sobre todo se espera su utilizacin en el sector del transporte.

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Dispositivo de conversin directa Trmica - Elctrica

La economa del hidrgeno ha dado como resultado un importante desarrollo en las pilas de combustible. Las pilas de combustible estn enfocadas para sustituir al tradicional motor de combustin de ciclo OTTO o ciclo Disel. A favor de las pilas de combustible podemos exponer los rendimientos alcanzables. Los rendimientos de los motores disel ronda el 35 % para motores pequeos y hasta un 50 % para motores grandes. Los rendimientos de las pilas de combustible va desde el 40% hasta el 60% segn el tipo de tecnologa

Sin embargo la tecnologa de las pilas de combustible an no est madura para competir con los motores de combustin interna debido a la vida media de las pilas de combustible. Actualmente la vida media de una pila de combustible ideada para suplir las funciones de un motor disel apenas alcanza un 20% en la vida media de un motor disel. El dispositivo que se expone a continuacin es posible construirlo gracias a los avances alcanzados en este campo.

3 IntroduccinEl presente documento propone construir un dispositivo que convierte la energa trmica, de cualquier foco, en energa elctrica de forma directa. Este dispositivo tendra las siguientes caractersticas: No contiene partes mviles. Es robusto y compacto. Trabaja con temperaturas inferiores a 200 C. Es un sistema simple que es fcil de construir y que tiene un mantenimiento liviano. Este sistema permite tiene funcionalidades como: Puede ser acoplado al tubo de escape de un motor trmico para recuperar energa de los humos. Puede ser acoplado a cualquier fuente trmica como un sistema de cogeneracin. Se pueden construir sistemas eficientes de conversin de energa elctrica a partir de la quema de gas natural en sistemas aislados para gaseoductos, oleoductos, etc.

Este dispositivo est basado en los procesos de produccin elctrica de una pila de combustible.

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Dispositivo de conversin directa Trmica - Elctrica

4 Descripcin del dispositivo de conversin trmica en elctrica:A continuacin se expone un esquema con el funcionamiento propuesto:

Cold H2 H+

Internal Zone Cold H2 * H+ * Cold H2

Hot point Thermal Energy intoe-

Cold point External Zone Thermal Energy out

Electrical Energy out

* Elementos porosos de Nquel. El elemento central de color amarillo es una membrana de transporte catinico Nafion. El funcionamiento es el siguiente: 1. El hidrgeno (H2 ) entra en una cmara caliente donde adquiere temperatura y presin. 2. El hidrgeno caliente entra en contacto con el Nquel. El hidrgeno queda adherido a la pared del nquel en forma de H+. Los electrones del Hidrgeno se ubican en la red electrnica del nquel. 3. La presin y temperatura de la cmara caliente empujan a los H+ que estn pegados a la pared del nquel hacia la membrana de nafion. 4. La membrana de nafion solo permite el paso de los H+, los electrones tienen que ir por un circuito externo. (En este punto es donde obtenemos la energa elctrica en forma de corriente elctrica)Pgina n 3 de 15

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5. Empujados por la presin y temperatura del foco caliente los H+ llegan al elemento de nquel que est en el foco fro. 6. Debido a la bajada de la temperatura y al empuje del los H+ que llegan del foco caliente el H+ que se ha enfriado recupera sus electrones y se convierte en H2 gaseoso. 7. El H2 gaseoso es utilizado de nuevo mediante un pequeo compresor para iniciar de nuevo el ciclo.

4.1 Cul es el rendimiento esperado de este dispositivo?El rendimiento mximo esperado del dispositivo es de un 40 %. No obstante es de esperar que como mnimo se obtenga un rendimiento mnimo del 25% del calor disponible. Cunto aumentara el rendimiento de un grupo electrgeno con un dispositivo de estas caractersticas? Teniendo en cuenta la energa que se pierde en los humos de un motor diesel el desarrollo de este dispositivo representara un aumento del 10% en el rendimiento elctrico del grupo electrgeno.

4.2 Consideraciones sobre el desarrollo de este dispositivo:1. La tecnologa necesaria para construir el dispositivo ya est disponible. 2. Es un dispositivo compacto y robusto. La zona interior est diferenciada del exterior por lo que no existe desgaste ni envejecimiento. 3. Es un dispositivo simple por lo que el presupuesto para su desarrollo es bajo. 4. Es un dispositivo modular con gran capacidad de adaptacin a distintos requerimientos industriales.

4.3 El desarrollo de un producto de este tipo representara:1. Aumentar la capacidad competitiva de los productos existentes ya que podran ser acoplados a los grupos electrgenos del catlogo aumentando as su produccin elctrica y su rendimiento. 2. Aumentar el mercado de venta ya que estos dispositivos pueden utilizarse con garantas de xito en: 1. Los mercados de transporte del petrleo. 2. Plantas de generacin trmica solar

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5 Estudio de las Irreversibilidades trmicasEn este captulo se intenta valorar el potencial de eficiencia del dispositivo estudiando las prdidas de calor y las irreversibilidades trmicas que son las responsables de las bajadas en el rendimiento de cualquier mquina trmica. Vamos a suponer que partimos de gas hidrgeno con las siguientes condiciones: Presin 1 bar Temperatura 25C Volumen: Se puede tomar cualquier volumen de referencia ya que para este primer estudio estimamos que las cmaras inicial y final tienen el mismo volumen. Asuncin importante para el estudio: Se supone que la entrada de calor es por la cmara caliente y la salida de calor por la cmara fra. El resto del sistema se supone que est aislado y por tanto no sufre prdidas de calor por radiacin, convencin o conduccin. Caractersticas del Hidrgeno. (H2)Propiedades del gas Peso Molecular Peso Molecular: 2.016 g/mol Punto de fusin: -259 C Calor latente de fusin (1,013 bar, en el punto triple) : 58.158 kJ/kg Densidad del lquido (1.013 bar en el punto de ebullicin) : 70.973 kg/m3 Equivalente Lquido/Gas (1.013 bar y 15 C (59 F)) : 844 vol/vol Punto de ebullicin (1.013 bar) : -252.8 C Calor latente de vaporizacin (1.013 bar en el punto de ebullicin) : 454.3 kJ/kg

Fase Slida

Fase lquida

Punto Crtico Temperatura Crtica : -240 C Presin Crtica: 12.98 bar Densidad Crtica : 30.09 kg/m3 Punto triple Temperatura del punto triple: -259.3 C Presin del punto triple : 0.072 bar Densidad del gas (1.013 bar en el punto de ebullicin) : 1.312 kg/m3 Densidad del Gas (1.013 bar y 15 C (59 F)) : 0.085 kg/m3 Factor de Compresibilidad (Z) (1.013 bar y 15 C (59 F)) : 1.001 Gravedad especfica (aire = 1) (1.013 bar y 21 C (70 F)) : 0.0696 Volumen Especfico (1.013 bar y 21 C (70 F)) : 11.986 m3/kg Capacidad calorfica a presin constante (Cp) (1 bar y 25 C (77 F)) : 0.029 kJ/(mol.K) Capacidad calorfica a volumen constante (Cv) (1 bar y 25 C (77 F)) : 0.021 kJ/(mol.K) Razn de calores especficos (Gama:Cp/Cv) (1 bar y 25 C (77 F)) : 1.384259 Viscosidad (1.013 bar y 15 C (59 F)) : 0.0000865 Poise Conductividad Trmica (1.013 bar y 0 C (32 F)) : 168.35 mW/(m.K) Pgina n 5 de 15

Fase gaseosa

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5.1 Cmara CalienteCuando el gas entra en esta cmara empieza a calentarse. En cuanto el gas empieza a tomar contacto con las paredes del nodo (compuesto de Nquel) empieza a producirse reacciones de desorcin. Esto provoca la entrada del hidrgeno en la red cristalina del compuesto de Nquel. La reaccin de desorcin es exotrmica. Por tanto esta reaccin libera calor y provoca que aumente la temperatura de la cmara. En es